炮钢表面电火花沉积Cr涂层的性能研究

郭策安，张 健，尚光明，于世强

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159;2.东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004;3.北方华安工业集团有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161046)

随着火炮威力和射程的提高，火炮身管的烧蚀和磨损成为各国火炮工作者亟待解决的问题［1］。到目前为止，电镀铬涂层由于其具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀、高熔点和低生产成本等优点被广泛应用于身管内膛表面的防护涂层［2］，并且结合了激光复合表面处理技术在实弹射击中收到了很好的效果［3］。但电镀铬过程中会产生有害物质，处理成本非常高;而且电镀技术所形成的镀层与基材是机械结合，在经过一定时间炮弹射击后，往往由于铬层与钢基材结合力差的原因而剥落，导致高温发射药气体会熔化镀铬层下的钢基材，导致身管烧蚀加剧［4］。而电火花沉积技术是一种绿色技术，通过阳极与阴极放电作用形成冶金结合的涂层，不存在因结合力不足而剥落的问题，可以避免电镀铬的弊端。

为此，本文应用电火花沉积技术在身管用钢PCrNi3MoVA上沉积Cr涂层，在实验室环境下测试和分析涂层的硬度与摩擦磨损性能、高温抗氧性能、耐腐蚀性能，为火炮身管技术的拓展提供理论参考。

1 实验材料及方法

实验用基材为炮钢，其名义化学成分见文献［5］。炮钢经最后调质处理(淬火温度870℃，一次回火580℃，二次回火620℃)，加工成20mm×10mm×3mm的试样。用电火花沉积技术在炮钢表面制备 Cr涂层，电极采用电解 Cr块(纯度99.9%)，线切割成φ5mm×80mm棒状，电极与试样经水砂纸磨至600#，并用丙酮超声波清洗，电火花沉积设备采用SD-D5A多功电火花沉积机，工艺参数为功率4档，频率6档，电极转速5档，氩气保护流量 20L/min，比沉积时间为1.5min/cm2。

炮钢和涂层的显微硬度用FM-700显微硬度计测量，加载时间为10s，载荷为10g，每个试样测五点取平均值;涂层的摩擦磨损性能用MMW-1A万能摩擦磨损试验机评价，与配副件45#钢球组成止推摩擦副，采用干摩擦方式，实验条件为转速20r/min，载荷10N，取实验时间5min内摩擦系数平均值作为摩擦系数的测定值;用间断增重法进行抗氧化试验，氧化温度为850℃，试验前坩埚在1100℃下烧至恒重，实验过程中，每隔一定时间将样品从炉中取出冷却称重，实验中平行样品不少于3个，称重天平感量为0.1mg;电化学采用PARSTAT2273恒电位仪测试系统，测试溶液为分析纯试剂和蒸馏水配置而成的3.5mass%NaCl溶液，恒温水浴控制温度为(30±1)℃，动电位极化曲线测量的扫描速度为20mV/min，试样在溶液中稳定5min后开始电化学测试;用S-3400N型扫描电镜观察基材和涂层表面、截面形貌及微区成分分析;用D/max-2500/PC型X射线衍射仪确定涂层的相结构。

2 实验结果

2.1 涂层的组织结构

图1a为电火花沉积Cr的表面形貌，从图1a可以看出，电火花涂层的表面较为粗糙，强化点之间相互熔合连接，熔融的电极和基材材料在基材的表面上形成了液体涌溅的蚀刻形貌。对试样截面磨制和机械抛光，用5%的硝酸酒精溶液腐蚀，涂层的截面因耐蚀能力较强而不易被腐蚀，厚度约为30μm，如图1b所示。图1c为电火花沉积Cr涂层的XRD衍射谱，其表明电火花沉积Cr涂层由 α-(Fe，Cr)与 γ-(Fe，Cr)两种相结构组成。

2.2 涂层的硬度与摩擦磨损性能

炮钢、Cr涂层的平均显微硬度分别为HV420、HV636，可见Cr涂层的显微硬度较基材提高了近50%。在电火花沉积的过程中要达到10000℃以上的高温，电极与炮钢的电蚀产物在炮钢表面发生冶金反应，这种冶金反应会在涂层中形成Fe的两种固溶体，在骤然冷却的条件下还会产生大量亚稳态成份，因而电火花沉积涂层为超细组织和非晶态组织［6］，这些因素都会提高涂层的硬度。另外，从涂层的截面来看，其致密的组织结构也有利于提高涂层的硬度。

炮钢与Cr涂层的摩擦系数、Cr涂层磨损形貌如图2所示。从图2a可以看出，在磨损的起始阶段，炮钢的摩擦系数小于涂层的摩擦系数，这是由于电火花涂层的表面粗糙度较高，而炮钢经过打磨处理，摩擦系数与粗糙度成正比。在随后的稳定摩擦磨损中，Cr涂层的摩擦系数为0.22～0.27，明显小于基材的摩擦系数(0.78～0.86)，具有显著的减摩效果。摩擦系数是与材料和环境条件有关的一个综合特性系数，炮钢与涂层的环境条件相同，摩擦系数与摩擦副材料本身性质有关。炮钢的摩擦系数较大，主要是由于炮钢与摩擦副45#钢球硬度相当，成分相同的金属易于粘着而发生严重磨损;电火花沉积Cr涂层的摩擦系数与其硬度有关，摩擦系数随着硬度的升高而减小。

图1 Cr涂层的组织结构

图2 炮钢与Cr涂层的摩擦系数及Cr涂层的磨损形貌

Cr涂层的磨损形貌如图2b所示，其磨损后的表面存在较浅的磨痕，如图2b中箭头所示，与原始涂层表面(图1a)相比要光滑得多。可见，磨损后的电火花涂层显示了适度抛光型的微切削磨料磨损特征［7］;由于电火花涂层的硬度比炮钢提高了近50%，没有出现与炮钢磨损类似的严重的塑性变形和磨痕边缘材料堆积的现象［5］。同时，电火花Cr涂层磨损后的表面存在局部浅层剥落的形貌，如图2b中箭头所示，由于电火花在沉积的过程中，在电容中储存的电能在几微秒内迅速释放而产生10000℃以上的高温，从而使阳极材料与阴极材料在阴极材料表面上产生的小熔池中发生物理化学反应，最后急速冷凝形成涂层，这种骤热骤冷的过程在涂层中产生残余应力，残余应力积累到一定程度在涂层中会产生的裂纹而使应力释放，这些多裂纹往往在磨损过程中形成局部的浅层剥落。因此，电火花涂层的磨损机制主要是微切削磨料磨损，并伴随局部的剥层磨损。

2.3 涂层的抗高温氧化性

图3为炮钢与Cr涂层850℃氧化100h动力学曲线，从图3可以看出，炮钢氧化动力学曲线基本符合抛物线规律，在850℃氧化100h后，炮钢单位面积的平均增重为182.383mg/cm2。Cr涂层氧化动力学曲线不符合抛物线规律，从氧化后样品表面氧化宏观形貌可以看出，这是由于涂层手工制备过程中出现的边角局部缺陷造成的。经850℃氧化100h后，Cr涂层的增重仅为1.730mg/cm2，由此可见，涂层大大提高了炮钢的高温抗氧化性能。炮钢850℃氧化100h后，由于其表面生成的氧化膜不具有保护性，以及产生的热应力和生长应力使氧化膜不断从炮钢表面剥落，导致炮钢氧化严重［8］。图4为Cr涂层850℃氧化100h后的表面形貌及成分分析结果，从图4a可以看出Cr涂层的表面形成了连续致密的氧化膜，图4b局部区域的EDAX分析结果如图4c所示，从图4c可以看出，涂层表面生成了连续致密的Cr2O3保护膜，阻止了炮钢基材被氧化。

图3 炮钢与Cr涂层850℃氧化100h动力学曲线

图4 Cr涂层850℃氧化100h后的表面形貌及成分分析结果

2.4 涂层的耐腐蚀性

图5为炮钢与Cr涂层在3.5mass%NaCl溶液中的极化曲线，从图5可以看出，炮钢的电流密度随时间增加而快速增大，这时材料表面发生活性溶解行为，即金属快速溶解。而电火花沉积Cr涂层提高了炮钢的抗腐蚀能力，在同一电极电位下，阳极溶解电流密度降低近1个数量级。

图5 炮钢与Cr涂层在3.5mass%NaCl溶液中的极化曲线

3 结论

(1)电火花沉积Cr涂层的显微硬度较炮钢提高了近50%，在稳定摩擦磨损中，Cr涂层的摩擦系数为0.22～0.27，明显小于炮钢的摩擦系数(0.78～0.86)，具有显著的减摩效果，Cr涂层的磨损机制主要是微切削磨料磨损。

(2)Cr涂层表面生成了连续致密的Cr2O3保护膜，阻止了炮钢基材被氧化，极大地提高了炮钢的抗氧化性能。

(3)炮钢与电火花沉积Cr涂层在3.5mass%NaCl溶液中，在同一电极电位下，电火花沉积Cr涂层阳极溶解电流密度降低近1个数量级。

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